CN105305499A - 一种适用于小功率风电变流器的参数可调的实时监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于小功率风电变流器的参数可调的实时监控方法。通过对风电变流器采取的三个控制策略，可以得到其系统关键参数，利用上位机对系统关键参数进行调节，可以实现小功率风电变流器适配多种不同型号的永磁同步发电机。本发明实现了上位机对控制微机模块的控制，在调试及下达命令时无需对变流器进行拆机操作，方便用户操作，同时也实现了对风力发电机和风电变流器运行状态的实时监测，便于及时发现、排除故障。本发明基于MODBUS？RTU协议并对其进行了改进，使得报文的起始和结束非常方便判断，便于控制微机模块进行中断处理并与工控机、PLC等设备连接，而协议本身的特点也非常便于多台民用小功率风电设备组网时进行监控。

Description

一种适用于小功率风电变流器的参数可调的实时监控方法

技术领域

本发明涉及风电变流器技术领域，特别是一种适用于小功率风电变流器的参数可调的实时监控方法。

背景技术

近些年来，风力发电作为一种具有广泛应用前景的新能源技术得到大力发展。与此同时，作为风力发电的关键技术之一，风电变流器因其可以实现宽风速范围内的变速恒频发电，提高运行效率，提升风能利用率等优点，也越来越受到重视。而随着分布式能源、微网技术的发展，针对民用的小功率风电变流器(一般为几千瓦)及其风电机组开始得到越来越多的应用。

需要特别指出的是，民用的小功率风电变流器及其风电机组，往往以单台或者几台组网的形式出现。同时，风机所发电通过风电变流器、变压器等设备，最终以单相交流电形式并入民用用电进线端。而为了方便实现对于单台及多台风电变流器组网时的监测与控制，小功率的风电变流器本身需包含控制单元和通信接口，方便上位机等对其进行监控。与民用的小功率风电变流器相匹配的风机，为了减少齿轮箱等中间传动结构，往往采用直驱式永磁同步发电机。

MODBUS协议已经成为工控领域全球最流行的标准，此协议支持传统的RS-232、RS-422、RS-485和以太网设备，MODBUS协议的好处是其定义了控制器能够认识和使用的消息结构，并没有规定物理层，也不管它们是经过何种网络进行通信的。因此，利用MODBUS协议作为小功率风电变流器的通讯协议可以有效地降低成本，同时也方便对于使用MODBUS协议的不同设备之间进行监控。

现有的民用的小功率风电变流器中，没有给出基于MODBUSRTU协议的通讯接口技术方案，也没有相关的针对小功率风电变流器的参数可调的实时监控方法。

发明内容

本发明的技术方案是：一种适用于小功率风电变流器的参数可调的实时监控方法，其特征在于：该方法将由小功率风电变流器发送至上位机的实时参数和上位机发送至小功率风电变流器的系统关键参数与控制指令，按照改进的MODBUSRTU协议，在小功率风电变流器与上位机之间进行通讯；

所述小功率风电变流器包括三相PWM整流模块、三相PWM逆变模块、驱动微机模块、控制微机模块、通讯接口和电源模块，其一端连接永磁同步发电机，另一端连接电网；所述驱动微机模块负责三相PWM整流模块和三相PWM逆变模块PWM信号的产生；所述控制微机模块负责整个系统运行、保护，实时参数的采集，并通过通讯接口与上位机进行通讯；

所述参数可调的实时监控方法包括以下步骤：

(1)对于发电机侧的三相PWM整流模块采用矢量控制，其控制原理是采用速度外环、电流内环的双闭环控制结构，该步骤通过以下几个子步骤来实现：

(i)利用电流霍尔传感器测得实际三相电流i_sa、i_sb、i_sc，结合编码器测得转子位置信号θ，利用坐标变换即可得到dq坐标下的实际电流i_sd、i_sq；

(ii)实际速度ω通过编码器测得；外环角速度的参考值ω^*是结合最大功率点跟踪算法(MPPT)，可以使发电机在稳态运行时工作于相应风速的最大功率点；

(iii)通过参考速度ω^*与实际反馈的电机速度ω相比较，再经过PI调节器得到q轴电流的参考值d轴电流参考值从而使电流全部用于产生电磁转矩；

(iv)改变的值，从而改变发电机转矩和转速，跟踪最优速度ω^*，使发电机达到新的稳定状态；

(2)对于电网侧的三相PWM逆变模块控制策略为有功和无功功率的解耦控制，采用双闭环控制结构，包括直流侧电压的外环和无功电流的给定内环，该步骤通过以下几个子步骤实现：

(i)利用电流霍尔传感器测得实际三相电流i_a、i_b、i_c，结合谐振式PLL测得电网电压相位角θ₁，利用坐标变换即可得到dq坐标下的实际电流i_d、i_q；

(ii)电压外环用于控制电压源型逆变器直流侧的电压，直流侧电压参考值与实际电压U_dc相比较，再经过PI调节器得到d轴电流参考值

(iii)q轴电流的参考值是由无功功率参考值Q^*得到的，当无功给定为0，即Q^*＝0时，此时系统无功功率为0，电网侧功率因数为1；

(3)最大功率点跟踪控制(MPPT)采用的是功率信号反馈法，功率信号反馈法是测量出风力机的转速ω，并根据风力机的最大功率曲线，计算出与该转速所对应的风力机的最大输出功率P_max，将它作为风力机的输出功率给定值P^*，并与发电机输出功率的观测值P相比较得到误差量，经过调节器对风力机进行控制，以实现对最大功率点的跟踪控制，该步骤通过以下几个子步骤实现：

(i)根据公式P＝TΩ，而电磁转矩T又与q轴电流分量i_sq成正比，因此在实际使用功率信号反馈法进行最大功率点跟踪控制时，是转换成相应的转速ω和q轴电流分量i_sq作为给定参考值；在实际使用MPPT曲线时，可以有两种类型，即功率与转速曲线P/n或功率与频率曲线P/f；

(ii)当使用功率与转速曲线P/n时，转速给定值ω^*和q轴电流分量给定值i_sq ^*计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}{i_{sq}}^{*}=\frac{20P}{\mathrm{\π}np\mathrm{\ψ}f}\\ {\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{\mathrm{\π}n}{30}\end{array}\right.$

其中P为MPPT曲线中的功率，n为转速，p为电机极对数，ψ_f为转子磁链，ω为机械角速度；

(iii)当使用功率与频率曲线P/f时，转速给定值ω^*和q轴电流分量给定值i_sq ^*计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}is{q}^{*}=\frac{P}{3{\mathrm{\πf\ψ}}_f}\\ {\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{2\mathrm{\π}f}{p}\end{array}\right.$

其中f为电角速度所对应的频率，p为电机极对数，ψ_f为转子磁链，ω为机械角速度；

(4)基于以上三种控制策略，得到风电变流器的系统关键参数为：

(i)MPPT曲线，具体包括功率与转速曲线P/n和功率与频率P/f两种形式；

(ii)电机参数，具体包括电机极对数p、额定功率P、额定转速n、额定电流I、直轴电感L_d、交轴电感L_q、定子相电阻R_s和转子磁链ψ_f；

(iii)PI参数，具体包括直流母线电压环PI、网侧逆变电流环PI、机侧电流环PI和机侧转速环PI；

(5)利用控制微机模块，采集所需要监测的实时参数，所述实时参数包括电网侧电压、电网侧电流、电网频率、电机侧电流、电机转速、母线电压；

(6)实时参数、系统关键参数和控制指令的传输采用改进的MODBUSRTU协议，即结合MODBUSASCLL模式下具有专用的起始帧和结束帧的优点，将标准MODBUSRTU模式下≥3.5字符作为判断开始和结束的条件去除，改为在报文中增加开始帧和结束帧，便于串口通讯，其数据帧格式如下：

(7)要实现一种风电变流器匹配多种永磁同步发电机，实现参数可调，只需要将系统关键参数按照步骤(6)中的协议，由上位机发送至控制微机模块，控制微机模块保留相关系统关键参数并按照步骤(1)、(2)和(3)中的控制策略进行控制，即可完成匹配并顺利运行；

(8)要实现上位机对风电变流器的实时监测，只需将步骤(5)中的实时参数采集后，按照步骤(6)中的协议实时地发送至上位机，上位机处理后即可显示相应的实时参数；

(9)要实现上位机对风电变流器的控制，只需将控制指令按照步骤(6)中的协议发送至控制微机模块，控制微机模块即可采取相应操作；所述控制指令包括开机、关机和紧急保护。

本发明的优点是：

1、可以实现对风力发电机和风电变流器运行状态的实时监控，便于及时发现、排除故障，同时也可实现上位机对控制微机模块的控制，在调试及下达命令时无需对变流器进行拆机操作，方便用户操作；

2、系统关键参数可以调节，可以实现小功率风电变流器适配多种不同型号的永磁同步发电机，降低成本；

3、本发明基于MODBUSRTU协议并对其进行了改进，使得报文的起始和结束非常方便判断，便于利用串口通讯的控制微机模块和上位机进行中断处理；而协议含有地址帧的特点也非常便于多台小功率风电变流器组网，同时MODBUS协议的广泛应用性使风电变流器非常方便与工控机、PLC等设备连接。

附图说明

图1为本发明实施例的整体结构示意图；

图2为本发明实施例的两极永磁同步电机结构示意图；

图3为本发明实施例的三相PWM逆变模块整体控制框图；

图4为本发明实施例的i_d＝0控制的矢量框图；

图5为本发明实施例的用PI调节器控制电磁功率P_e的框图；

图6为本发明实施例的三相PWM整流模块的整体控制框图；

图7为本发明实施例的标准MODBUSRTU协议报文发送示意图；

图8为本发明实施例的改进后的MODBUSRTU协议报文发送示意图；

图9为本发明实施例的MODBUSRTU模式下的位序列。

具体实施方式

实施例：如图1所示，为小功率风电变流器的整体结构示意图，其包括三相PWM整流模块、三相PWM逆变模块、驱动微机模块、控制微机模块、通讯接口和电源模块；风机所发出的三相交流电经过三相PWM整流模块整流成直流电，又经过三相PWM逆变模块将直流电转换为与电网相同电压等级与频率的交流电压，将能量传送至电网上；驱动微机模块用于输出脉宽调制信号(PWM)，控制三相PWM整流模块与三相PWM逆变模块；控制微机模块用于控制驱动微机模块及相应的继电器，采集实时参数并按照MODBUSRTU协议将实时参数通过通讯接口发送给上位机，同时接受上位机的系统关键参数；电源模块用于为驱动微机模块和控制微机模块供电；

所述的三相PWM整流模块由6个晶体管组成，上下桥臂分别各使用三个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，永磁同步发电机所引出的三相电，首先经过EMC模块，再接到三相PWM整流模块三组桥臂的中点上，用于将风机所发出的三相交流电整流成直流电；

所述的三相PWM逆变模块由六个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)组成，上下桥臂分别各使用三个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；

所述风机为直驱式永磁同步发电机；

所述的驱动微机模块用德州仪器生产的TMS320X2812DSP，利用其EV模块负责三相PWM整流模块和三相PWM逆变模块PWM信号的产生；

所述的控制微机模块用德州仪器生产的TMS320X2808DSP，负责整个系统运行、保护，实时参数的采集，并通过通讯接口与上位机进行通讯；

所述的通讯接口位于控制微机模块上，通讯接口可以采用RS232或RS485，与上位机进行串口通讯；

所述的电源模块与电网侧连接，用于为驱动微机模块和控制微机模块提供电能。

下面，将详细介绍永磁同步电机在不同坐标系下的数学模型，三相PWM整流模块的控制策略，三相PWM逆变模块的控制策略，最大功率点跟踪(MPPT)控制策略，以此来说明系统关键参数所包含的各参数的重要性，当系统关键参数可调时，小功率风电变流器可匹配不同型号的永磁同步发电机。

1、永磁同步电机在三相静止坐标系中的模型

图2为一台两极永磁同步电机结构示意图，A‐X，B‐Y，C‐Z分别表示定子的三相绕组，他们空间位置固定且相互之间相差120°，A相绕组为定子静止参考轴，假设转子磁链ψ_f和定子A轴之间夹角为θ，θ为功率角。

定子三相绕组中分别通以三相频率为f的对称电流，则定子磁场产生同步转速式中p为同步电机的极对数。定子电压方程为：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{sA}\\ u_{sB}\\ u_{sC}\end{array}\right]=Rs\left[\begin{array}{c}{i}_{sA}\\ i_{sB}\\ i_{sC}\end{array}\right]+\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{sA}\\ {\mathrm{\ψ}}_{sB}\\ {\mathrm{\ψ}}_{sC}\end{array}\right]$

式中，u_sA、u_sB、u_sC为定子三相绕组电压；Rs为每相绕组电阻；i_sA、i_sB、i_sC为定子三相绕组电流；ψ_sA、ψ_sB、ψ_sC为定子三相绕组匝链的磁链。

定子电压方程中，定子每相绕组的全磁链为自身的自感磁链和其他绕组和转子对它的互感磁链之和，定子磁链具体可以表示为：

$\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{sA}\\ {\mathrm{\ψ}}_{sB}\\ {\mathrm{\ψ}}_{sC}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}{L}_{AA}& M_{AB}& M_{AC}\\ M_{BA}& L_{BB}& M_{BC}\\ M_{CA}& M_{CB}& L_{CC}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_A\\ i_B\\ i_C\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{fA}\\ {\mathrm{\ψ}}_{fB}\\ {\mathrm{\ψ}}_{fC}\end{array}\right]$

其中，L_AA、L_BB、L_CC为定子每相绕组自感，M_AB＝M_BA、M_AC＝M_CA、M_BC＝M_CB为两相绕组之间的互感，其均为转子角位移的函数；ψ_fA、ψ_fB、ψ_fC为三相绕组匝链的转子每极永磁磁链。

转子磁链表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{fA}={\mathrm{\ψ}}_{f}cos\mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\ψ}}_{fB}={\mathrm{\ψ}}_f\cos (\mathrm{\θ}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ {\mathrm{\ψ}}_{fC}={\mathrm{\ψ}}_f\cos (\mathrm{\θ}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right.$

其中，ψ_f为永磁体励磁磁链。

2、三相永磁同步发电机在dq坐标系中的模型

在三相静止坐标系中，等效同步电感Ls不为常值，而是夹角θ的函数，为此，常利用坐标变换理论来分析永磁同步发电机在同步旋转坐标系下的模型。

dq坐标思想利用坐标变换理论，把三相静止坐标系下电流投射到与转子同步旋转的两相坐标中去。经过dq坐标变换后，等效的dq轴定子绕组和转子绕组是相对静止的。在转速一定的情况下，电压方程就变成了线性微分方程，消除了等效同步电感随θ变化的问题。

根据规定电流的方向，取永磁体转子中心极线为d轴正方向，q轴沿转子旋转方向超前d轴90°。dq坐标轴为旋转坐标轴，随转子同步旋转，即dq坐标轴和转子是处于相对静止状态的。经过坐标变换后得到dq坐标系下永磁同步电机的数学模型为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_d}{dt}+R_s{i}_d-\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_q\\ u_q=\frac{{\mathrm{d\ψ}}_q}{dt}+R_s{i}_q+{\mathrm{\ω\ψ}}_d\end{array}\right.$

dq坐标系中定子磁链方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_d=L_d{i}_d+{\mathrm{\ψ}}_f\\ {\mathrm{\ψ}}_q=L_q{i}_q\end{array}\right.$

式中i_d、i_q分别为同步电机定子的d轴和q轴电流；u_d、u_q分别为电机端d轴和q轴电压；L_d、L_q为dq轴同步电感；ω为电角速度；ψ_d、ψ_q为定子磁链的d轴和q轴分量；ψ_f为转子永磁体磁链；p为电机极对数。

根据转矩方程

T_e＝1.5p(ψ_di_q-ψ_qi_d)

将磁链方程代入得：

T_e＝1.5p[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q]

其中p为电机极对数。

根据转矩方程可知，要对永磁同步发电机的转矩进行控制，需要知道电机的关键参数：电机极对数P，转子永磁磁链ψ_f，d轴电感L_d，q轴电感L_q。

3、三相PWM逆变模块控制策略

dq坐标下网侧的有功和无功功率分别为：

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}(e_d{i}_d+e_q{i}_q)\\ Q=\frac{3}{2}(-e_d{i}_q+e_q{i}_d)\end{array}\right.$

如果将dq两相旋转坐标系中的d轴定向在电网电压合成矢量E上，超前d轴90°方向上定义q轴，则有：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_d=E\\ e_q=0\end{array}\right.$

则有功功率和无功功率表达式简化成：

$\left\{\begin{array}{c}P=\frac{3}{2}E{i}_d\\ Q=-\frac{3}{2}Eiq\end{array}\right.$

当有功功率P为正值时表示三相PWM逆变模块处于整流状态，需要从电网吸收能量；P为负值则表示其处于逆变状态，向电网反馈能量。无功功率Q为正值时表示三相PWM逆变模块呈感性，吸收滞后的无功电流；Q为负值则表示其呈容性，从电网吸收超前的无功电流。

从上述简化后的有功和无功功率表达式可以看出，有功功率只跟d轴电流i_d有关，而无功功率只跟q轴电流i_q有关，所以调节i_d、i_q就能够分别控制三相PWM逆变模块吸收的有功功率和无功功率，实现了有功功率和无功功率的解耦。

图3为三相PWM逆变模块整体控制框图，三相PWM逆变模块控制策略为双闭环控制结构，包括直流侧电压的外环和无功电流的给定内环，内环为电流环的双闭环控制。电压外环的作用主要是控制电压源型逆变器直流侧的电压，而电流内环的作用主要是按电压外环输出的电流指令进行电流控制。q轴电流的参考值是由无功功率参考值Q^*得到的，当无功给定为0，即Q^*＝0时，此时系统无功功率为0，电网侧功率因数为1。

4、三相PWM整流模块控制策略

三相PWM整流模块的目的是将永磁同步发电机输出的频率和幅值不断变化的电流，通过PWM整流器转化为电压恒定的直流电，并且PWM变流器控制永磁同步风力发电机运行，使其输入电流为正弦波，提高风力发电机的运行效率，同时还能够通过调节定子电流来控制发电机转速，确保风力机运行在最大功率点，捕获最大风能。

图4为i_d＝0控制的矢量框图。为了获得更好的控制性能，对于发电机侧的控制采用矢量控制。根据dq坐标系下的电磁转矩方程，电磁转矩T_e由i_sd、i_sq两个分量共同决定。当d轴电流分量i_sd＝0时，此时定子电流合成矢量i_s定向于q轴，定子电流全部用来产生转矩，从而实现电机的最大转矩电流比。

将i_sd＝0代入电磁转矩方程，则电机dq轴电流参考值分别如下式：

$\left\{\begin{array}{c}{i_{sd}}^{*}=0\\ {i_{sq}}^{*}=\frac{2{T_e}^{*}}{3{\mathrm{p\ψ}}_f}\end{array}\right.$

永磁同步电机的电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{sd}=-L_{sd}\frac{{\mathrm{di}}_{sd}}{dt}+R_s{i}_{sd}-\mathrm{\ω}{L}_{sq}{i}_{sq}\\ u_{sq}=-L_{sq}\frac{{\mathrm{di}}_{sq}}{dt}+R_s{i}_{sq}+\mathrm{\ω}{L}_{sd}{i}_{sd}+\mathrm{\ω}{\mathrm{\ψ}}_f\end{array}\right.$

图5为用PI调节器控制电磁功率P_e的框图。永磁同步电机的电磁功率P_e＝T_eΩ，其中Ω为电机的机械角速度。当转子磁场定向后，电磁转矩T_e和q轴电流分量成正比，通过控制q轴电流分量就能控制电机的电磁转矩T_e，进而控制电机的转矩和电磁功率P_e。

图6为三相PWM整流模块的整体控制框图，其控制原理是：采用速度外环、电流内环的双闭环控制结构，其中外环角速度的参考值ω^*是结合最大功率点跟踪算法(MPPT)，可以使发电机在稳态运行时工作于相应风速的最大功率点。参考速度ω^*与实际反馈的电机速度相比较，再经过PI调节器得到q轴电流的参考值d轴电流参考值改变就可以改变发电机转矩和转速，跟踪最优速度ω^*，使发电机达到新的稳定状态。

通过转子磁场的定向控制，发电机侧实现了最大转矩最小电流和最大效率最小损耗的控制，使输送到直流侧的功率保持为最大输出，并且可以通过调节发电机输出无功电流来调节输出的无功功率，调节功率因数。

5、最大功率点跟踪(MPPT)控制策略

风能是一种具有随机性、不稳定性特征的能源，为了最大程度地获得风能，本发明采用的是功率信号反馈法。功率信号反馈法是测量出风力机的转速ω，并根据风力机的最大功率曲线，计算出与该转速所对应的风力机的最大输出功率P_max，将它作为风力机的输出功率给定值P^*，并与发电机输出功率的观测值P相比较得到误差量，经过调节器对风力机进行控制，以实现对最大功率点的跟踪控制。

根据公式P＝TΩ，而如前所述电磁转矩T又与q轴电流分量i_sq成正比，因此在实际使用功率信号反馈法进行最大功率点跟踪控制时，是转换成相应的转速ω和q轴电流分量i_sq作为给定参考值。在实际使用MPPT曲线时，可以有两种类型，即功率与转速曲线P/n或功率与频率曲线P/f。

当使用功率与转速曲线P/n时，转速给定值ω^*和q轴电流分量给定值i_sq ^*计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}{i_{sq}}^{*}=\frac{20P}{{\mathrm{\πnp\ψ}}_f}\\ {\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{\mathrm{\π}n}{30}\end{array}\right.$

其中P为MPPT曲线中的功率，n为转速，p为电机极对数，ψ_f为转子磁链，ω为机械角速度。

当使用功率与转速曲线P/n时，转速给定值ω^*和q轴电流分量给定值i_sq ^*计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}{i_{sq}}^{*}=\frac{P}{3{\mathrm{\πf\ψ}}_f}\\ {\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{2\mathrm{\π}f}{p}\end{array}\right.$

其中f为电角速度所对应的频率，p为电机极对数，ψ_f为转子磁链，ω为机械角速度。

由上述控制策略可知，为了最大限度地利用风能，保证风电运行的可靠性，对于直驱式永磁同步发电机及对应的小功率风电变流器，系统关键参数所包含的各参数是非常重要的。同时，风力发电由于受风的影响较大，因此要求风电变流器具有一定的参数可调性，使得在不同的应用环境下，风电变流器利用风能的效率最高。这就要求风电变流器与上位机之间能够建立实时、有效的通讯，及时传递实时参数和系统关键参数，使得系统运行在最合理状态。

下面，将具体介绍改进的MODBUSRTU协议下的实时参数和系统关键参数：

图7所示为标准MODBUSRTU协议报文发送示意图，MODBUS协议在RTU模式下数据密度较高，在相同的波特率下比ASCII模式有更高的吞吐率。但是标准的RTU模式下数据帧没有起始字符和结束字符，而是由时长至少为3.5个字符时间的空闲间隔区分，这一点对于串口通讯，特别是以中断形式接收字符的控制微机模块是非常不便且低效的。因此，本发明对标准的MODBUSRTU协议报文进行了改进。

图8所示为改进后的MODBUSRTU协议报文发送示意图，在标准MODBUSRTU模式下增加了起始帧和结束帧，使得报文的起始和结束非常容易判断，便于控制微机模块处理。同时，地址帧可以支持0-247台从机设备地址，其中0为广播地址，方便多台风电变流器组网时上位机的监测与控制。

图9所示为MODBUSRTU模式下的位序列，在传输参数时，每个字节的位序列都遵循RTU标准位序列，有效数据位是8位，因而对于16位的变量，在编码时要拆分为两个字节，高8位在前，低8位在后。

通用数据帧格式如下，所有的功能数据帧均按照以下格式定义：

实时参数包含两个功能数据帧，分别是系统状态量数据帧和运行参数数据帧。系统状态量数据帧包含故障状态、卸荷保护开关状态、MPPT编号、电机编号、PI参数状态和电能统计；运行参数数据帧包含电网侧电压、电网侧电流、电网频率、电机侧电流、电机转速和母线电压。

系统关键参数包含四个功能数据帧，分别是开关机命令数据帧、最大功率点跟踪曲线数据帧、电机参数数据帧和PI参数设定数据帧。

开关机命令数据帧包含开关机命令位。

最大功率点跟踪曲线数据帧包含MPPT曲线编号、MPPT曲线类型和MPPT曲线数据，MPPT曲线类型可以是功率转速曲线，也可以是功率频率曲线。

电机参数数据帧包含电机编号、极对数、额定功率、额定转速、额定电流、直轴电感、交轴电感、定子相电阻、转子磁链、转动惯量、机械时间常数、最大功率、最大转速和最大电流。

PI参数设定数据帧包含PI参数状态、母线电压环P、母线电压环I、网侧电流环P、网侧电流环I、机侧电流环P、机侧电流环I、机侧转速环P和机侧转速环I。

下面将具体介绍各功能数据帧的格式：

(1)系统状态量数据帧

系统状态量包含故障状态、卸荷/保护开关状态、MPPT曲线编号、电机编号和PI参数状态，由控制微机模块按照上述数据帧的形式，通过通讯接口实时地发送至上位机，上位机再显示相应的状态。

(2)运行参数数据帧

运行参数都是16位的Single型变量，控制微机模块需要拆分为两个字节发送，上位机收到后要重新组合。此外，为了保证数据精确度，采用适当的定标将数据转化成整形数据发送，上位机收到后又要根据定标规则解码还原。运行参数主要包括电网侧电压、电网侧电流、电网频率、电机侧电流、电机转速和直流母线电压。

(3)开关机命令数据帧

开关机命令由上位机发送至控制微机模块，控制微机模块根据相应的指令控制整个风电变流器的运行状态。

(4)最大功率点跟踪(MPPT)曲线数据帧

对于小功率风电变流器来说，最大功率点跟踪(MPPT)曲线是非常重要的，而由于风机实际运行环境和电机参数的不同，最大功率点跟踪(MPPT)曲线也是不同的。因此，需要通过上位机对控制微机模块传输合适的最大功率点跟踪(MPPT)曲线。MPPT曲线数据量大，25组数据如果一次发送，将会导致数据包过长，发送耗时长，占用系统内存时间长，造成其他任务(尤其是定时任务)无法正常执行，使得误码率会大大提高。因此拆成5个数据帧顺序发送，每帧发送5组数据。最大功率点跟踪(MPPT)曲线可以有两种类型：功率转速曲线(P/n)或者功率频率曲线(P/f)，根据最大功率点跟踪(MPPT)控制策略中的公式，最终曲线参数将全部转化为转速给定值ω^*和q轴电流分量给定值i_sq ^*。最大功率点跟踪(MPPT)曲线设定是否成功通过系统状态量数据帧中的MPPT编号来判断。

(5)电机参数数据帧

一般而言，与小功率风电变流器相匹配的永磁同步发电机型号会有多个，而电机的参数在整个风电变流器控制中起着重要作用，因此在控制微机模块中，有相应的功能，可以接受电机参数的改变，使得同一风电变流器能够兼容多台不同参数的电机。

电机参数也是Single型变量，因此也要像运行参数一样进行合适的定标，转化为整形发送。电机参数设定是否成功通过系统状态量数据帧中的电机编号来判断。

(6)PI参数设定数据帧

在风电变流器运行之初，需要对母线电压环PI、网侧逆变电流环PI、机侧电流环PI和参数进行调试，以获得最合适的工作状态。

上述的六个功能数据帧，既包括了控制微机模块采集到并反馈给上位机的实时参数，也包括了上位机下传给控制微机模块的系统关键参数，这些参数能够基本满足民用的小功率风电变流器调试、运行的需要。

要实现一种风电变流器匹配多种永磁同步发电机，实现参数可调，只需要将系统关键参数按照改进的MODBUSRTU协议，由上位机发送至控制微机模块，控制微机模块保留相关系统关键参数并按照上述控制策略进行控制，即可完成匹配并顺利运行；

要实现上位机对风电变流器的实时监测，只需将所需观测的实时参数采集后，按照改进的MODBUSRTU协议实时地发送至上位机，上位机处理后即可显示相应的实时参数；

要实现上位机对风电变流器的控制，只需将控制指令按照改进的MODBUSRTU协议发送至控制微机模块，控制微机模块即可采取相应操作；所述控制指令包括开机、关机和紧急保护。

应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是限制。总之,本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (1)

1.一种适用于小功率风电变流器的参数可调的实时监控方法，其特征在于：该方法将由小功率风电变流器发送至上位机的实时参数和上位机发送至小功率风电变流器的系统关键参数与控制指令，按照改进的MODBUSRTU协议，在小功率风电变流器与上位机之间进行通讯；

所述小功率风电变流器包括三相PWM整流模块、三相PWM逆变模块、驱动微机模块、控制微机模块、通讯接口和电源模块，其一端连接永磁同步发电机，另一端连接电网；所述驱动微机模块负责三相PWM整流模块和三相PWM逆变模块PWM信号的产生；所述控制微机模块负责整个系统运行、保护，实时参数的采集，并通过通讯接口与上位机进行通讯；

所述参数可调的实时监控方法包括以下步骤：

(1)对于发电机侧的三相PWM整流模块采用矢量控制，其控制原理是采用速度外环、电流内环的双闭环控制结构，该步骤通过以下几个子步骤来实现：

(i)利用电流霍尔传感器测得实际三相电流i_sa、i_sb、i_sc，结合编码器测得转子位置信号θ，利用坐标变换即可得到dq坐标下的实际电流i_sd、i_sq；

(ii)实际速度ω通过编码器测得；外环角速度的参考值ω^*是结合最大功率点跟踪算法(MPPT)，可以使发电机在稳态运行时工作于相应风速的最大功率点；

(iii)通过参考速度ω^*与实际反馈的电机速度ω相比较，再经过PI调节器得到q轴电流的参考值d轴电流参考值从而使电流全部用于产生电磁转矩；

(iv)改变的值，从而改变发电机转矩和转速，跟踪最优速度ω^*，使发电机达到新的稳定状态；

(2)对于电网侧的三相PWM逆变模块控制策略为有功和无功功率的解耦控制，采用双闭环控制结构，包括直流侧电压的外环和无功电流的给定内环，该步骤通过以下几个子步骤实现：

(i)利用电流霍尔传感器测得实际三相电流i_a、i_b、i_c，结合谐振式PLL测得电网电压相位角θ₁，利用坐标变换即可得到dq坐标下的实际电流i_d、i_q；

(ii)电压外环用于控制电压源型逆变器直流侧的电压，直流侧电压参考值与实际电压U_dc相比较，再经过PI调节器得到d轴电流参考值

(iii)q轴电流的参考值是由无功功率参考值Q^*得到的，当无功给定为0，即Q^*＝0时，此时系统无功功率为0，电网侧功率因数为1；

(3)最大功率点跟踪控制(MPPT)采用的是功率信号反馈法，功率信号反馈法是测量出风力机的转速ω，并根据风力机的最大功率曲线，计算出与该转速所对应的风力机的最大输出功率P_max，将它作为风力机的输出功率给定值P^*，并与发电机输出功率的观测值P相比较得到误差量，经过调节器对风力机进行控制，以实现对最大功率点的跟踪控制，该步骤通过以下几个子步骤实现：

(i)根据公式P＝TΩ，而电磁转矩T又与q轴电流分量i_sq成正比，因此在实际使用功率信号反馈法进行最大功率点跟踪控制时，是转换成相应的转速ω和q轴电流分量i_sq作为给定参考值；在实际使用MPPT曲线时，可以有两种类型，即功率与转速曲线P/n或功率与频率曲线P/f；

(ii)当使用功率与转速曲线P/n时，转速给定值ω^*和q轴电流分量给定值i_sq ^*计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}{i_{sq}}^{*}=\frac{20P}{\mathrm{\π}np\mathrm{\ψ}f}\\ {\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{\mathrm{\π}n}{30}\end{array}\right.$

其中P为MPPT曲线中的功率，n为转速，p为电机极对数，ψ_f为转子磁链，ω为机械角速度；

(iii)当使用功率与频率曲线P/f时，转速给定值ω^*和q轴电流分量给定值i_sq ^*计算公式：

$\left\{\begin{array}{c}{i_{sq}}^{*}=\frac{P}{3{\mathrm{\πf\ψ}}_f}\\ {\mathrm{\ω}}^{*}=\frac{2\mathrm{\π}f}{p}\end{array}\right.$

其中f为电角速度所对应的频率，p为电机极对数，ψ_f为转子磁链，ω为机械角速度；

(4)基于以上三种控制策略，得到风电变流器的系统关键参数为：

(i)MPPT曲线，具体包括功率与转速曲线P/n和功率与频率P/f两种形式；

(ii)电机参数，具体包括电机极对数p、额定功率P、额定转速n、额定电流I、直轴电感L_d、交轴电感L_q、定子相电阻R_s和转子磁链ψ_f；

(iii)PI参数，具体包括直流母线电压环PI、网侧逆变电流环PI、机侧电流环PI和机侧转速环PI；

(5)利用控制微机模块，采集所需要监测的实时参数，所述实时参数包括电网侧电压、电网侧电流、电网频率、电机侧电流、电机转速、母线电压；

(6)实时参数、系统关键参数和控制指令的传输采用改进的MODBUSRTU协议，即结合MODBUSASCLL模式下具有专用的起始帧和结束帧的优点，将标准MODBUSRTU模式下≥3.5字符作为判断开始和结束的条件去除，改为在报文中增加开始帧和结束帧，便于串口通讯，其数据帧格式如下：

(7)要实现一种风电变流器匹配多种永磁同步发电机，实现参数可调，只需要将系统关键参数按照步骤(6)中的协议，由上位机发送至控制微机模块，控制微机模块保留相关系统关键参数并按照步骤(1)、(2)和(3)中的控制策略进行控制，即可完成匹配并顺利运行；

(8)要实现上位机对风电变流器的实时监测，只需将步骤(5)中的实时参数采集后，按照步骤(6)中的协议实时地发送至上位机，上位机处理后即可显示相应的实时参数；

(9)要实现上位机对风电变流器的控制，只需将控制指令按照步骤(6)中的协议发送至控制微机模块，控制微机模块即可采取相应操作；所述控制指令包括开机、关机和紧急保护。